01 细胞的特性 The Nature of Cells

什么是细胞

细胞是生命的最小单位。所有可独立生存的生物，从单细胞生物（如细菌）到复杂的生命体（如我们人类），均由细胞构成。我们的身体内含有数量惊人的细胞，但与重达200吨的蓝鲸相比，则显得微不足道。作为生命的基本构成模块，细胞被认为是一组简单元件的集合，可通过平稳的生理活动来维持自身正常状态，并不时通过分裂来产生新的细胞，从古至今都未改变。无论是大多数细菌（作为独立个体的存在时间仅为半小时左右，随后将分裂成新的个体），还是人类的神经细胞（可在数十年的时间里持续进行自我修复以维持日常活动），每一个简单或复杂的细胞都是一座自成体系的“分子工厂”，在其生命周期中的每一分钟都在疯狂地工作。将一个细胞比作一个工厂的说法稍显简单，事实上，为了满足日常活动，细胞工厂自身以及其中的大部分器械必须经历拆除与重建——在这一过程中，工厂的生产速度却从未减慢。与细菌相比，动物与植物细胞的体积要更大（约为细菌的1000倍），其内部组织也复杂精细得多。

究竟哪些化学物质能够满足如此极致的物质合成，使得简单细胞在几分钟内，以及复杂细胞在一天之内，能实现自我复制呢？从根本上讲，构成生命的基本元素仅涵盖了117种已知元素中的6种，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫。细胞中99%的分子是由氢、氧结合所形成的水分子构成的。这看起来似乎会导致生命体变得如稀汤寡水一般，但事实上，部分水分子并不以液体的形态存在，而是被牢牢地锁在某些大分子结构中。在分子水平上，所有细胞均以一组数量有限的碳基分子为物质基础，包括提供化学能的糖，构成细胞膜的脂肪酸，作为蛋白质基本单位的氨基酸，以及RNA、DNA等信息分子亚单位的核苷酸。所有蛋白质均由20种不同的氨基酸组成，而这些氨基酸也是所有生物所共有的。如同单词是由字母所组成一般，氨基酸的“字母”也以各种不同的方式组合在一起，形成了大量的蛋白质“词汇”。蛋白质具有极其多样的形态，可以作为结构材料、化学催化剂与分子马达，支撑并驱动着生命的进程。每一个蛋白质的密码源于我们DNA中的另一组密码，即由四个字母所组成的基因密码。基因在每次细胞分裂过程中，不断地从母细胞传递至子细胞中。我们的DNA中含有大约24 000个基因，其中每一个基因仅仅对应一种蛋白质。但有趣的是，我们体内可能存在着远超这一数量的蛋白质，多出来的蛋白质是通过修改原始遗传信息而产生的。蛋白质可以相互结合形成多蛋白复合物，它们作为“齿轮”与“轴承”，驱动细胞内负责生产与维修的“电机”正常运行。这种复杂的活动在细菌等较为简单的细胞中可以有效地运行，而在更大、更复杂的细胞（如人类细胞）中，特定的细胞活动将在独立的区域——细胞器中进行。细胞器具有独立的膜结构，可与细胞内的其他组分相隔开。除此之外，我们的身体内还含有200多种不同的细胞类型，这也使机体更为复杂。本书主要介绍各种与细胞相关的问题，并进一步解释为什么任何细胞的缺陷均有可能导致疾病的发生。